【Maker電子學】TVS 二極體的原理與應用

作者:Bird

上篇文章稽納二極體的原理與應用,我們大致介紹了稽納二極體以及利用它設計的穩壓電路,不過由於 IC 穩壓元件的進步,現今稽納二極體已經沒有那麼常用在穩壓電路中,但它的一個近親—TVS 二極體倒是隨處可見,並且廣泛應用於各種電路的靜電保護設計中。

這次就讓我們來聊一下 TVS 二極體,以及它在靜電保護設計上的角色。

電不死人卻會電壞機器的 ESD

ESD(Electrostatic Discharge)又稱靜電放電,指的是在兩個物體間,因爲電場達到一定的強度,使得介質的絕緣能力崩潰,而發生電荷流動、中和的現象。

小至電路放電,大至閃電,都是ESD靜電放電現象(Source

在乾燥的地區,我們觸摸門把時常常會被靜電電到,就是一種常見的靜電放電現象。至於爲什麼靜電放電比較常發生在冬天呢?其實 ESD 的發生跟溫度沒有關係,但是溫度會決定空氣的絕對溼度,溫度越低的空氣可容納的水汽量會越少,相對來說就會越乾燥,而越乾燥的空氣越不容易讓靜電透過空氣散逸,而是比較容易在人體上累積,因此就會發生靜電放電。

我們生長的台灣地區,地處熱帶至亞熱帶,冬季的溫度相對沒有那麼低,空氣也比較潮溼,因此靜電放電發生的頻率和程度不會像高緯度、乾燥的地區那麼嚴重,但我相信大部分的讀者一定都還是有冬天被門把電到,或是觸碰別人而「來電」的經驗。

要讓乾燥空氣的絕緣崩潰而發生靜電放電,電場強度大概要到達 40 KV/cm 以上,這個數字的物理意義是:如果兩個物體在乾燥空氣中距離 1 公分,而它們倆之間的電壓差距達到 4 萬伏特以上,就會透過空氣發生靜電放電,而如果兩者之間的距離只有 1 mm,則只需要 4 千伏特左右的電壓,就足以發生靜電放電。

 

在乾冷天氣時,很多人想必有觸碰金屬門把而被電到的經驗,這就是ESD靜電放電現象(Source)

一般我們去摸門把時被電到的靜電放電,多半落在數千伏特這個等級(可能因爲行走在地毯上或是與乾燥空氣摩擦,讓我們身上累積了電位較高的靜電電荷,而這些電荷造成我們的身體和門把有電位差)。假設這個電位差是 4000 V,當我們要開門,手逐漸接近門把時,就在我們的手快要接觸到門把的那一瞬間,手和門把之間的距離小於 1 mm(也就是一個快要碰到但是又還沒碰到的距離),這個距離使得電場強度大於會透過空氣發生放電的電場,導致我們手上的電荷空氣離子化,形成一道微小的電弧,讓電荷透過空氣傳遞到門把上。這一切都發生在極短的時間內,就在你的手還沒碰到門把的那一瞬間,而當你的手碰到門把時,其實你已經被電完了。

我們會因爲靜電放電而覺得痛,主要是因爲在這個過程中會有個等效的電流流過我們的指尖(或是任何放電的部位)。這個電流不小,但是時間極短,大概在一兩百個 ns 左右,因此總能量其實不大,雖然對末梢神經系統的刺激蠻大的,但幾乎不可能造成電擊時的灼傷或是其它傷害。

不過靜電放電對電子零件來說就不是這麼輕描淡寫了。當靜電放電發生在電子電路上時,尤其是現今製程越來越精細的半導體零件上時,很容易對電子零件造成不可逆的破壞,因此在電子產品的設計上,隨著半導體製程越來越細緻,靜電放電防護的重要性也越來越高。

今天要介紹的零件:TVS 二極體,就是靜電防護設計中的核心零件。

TVS 二極體

TVS 全名是 Transient Voltage Supressor,也就是暫態電壓抑制器。所謂「暫態」,代表它能在很短的時間內快速反映,但也只能支撐很短的時間。

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是一個典型的二極體電壓–電流曲線,我們上次在說明稽納二極體時已經看過,稽納二極體有一個穩定的崩潰電壓,而我們通常就讓它工作在逆向偏壓區,來利用這個穩定的崩潰電壓。TVS 二極體是稽納二極體的近親,我們通常也讓它工作在逆向偏壓區,只是在一般工作狀態時,加在它上面的電壓不會到達它的崩潰電壓,因此 TVS 二極體在一般工作狀態時不會導通。

當電路中發生靜電放電時,靜電會透過空氣或其它路徑進入電路,在電路上形成一個很高的電壓,以前面的例子來說,至少在數千伏特以上。雖然它發生的時間很短,但就是真真實實的數千伏特電壓,大部分精密製程的半導體零件都耐不住這樣的高壓(即使只有短短的一兩百 ns),這時候就是 TVS 二極體上場救援的時候了。

TVS 二極體通常都設計在電路上的這個位置:

(圖片來源:Bird 提供)

當數千伏特的靜電放電從 connector 進來時,它一定會超過 TVS 二極體的崩潰電壓,因此 TVS 二極體就會導通,而且可以在極短的時間之內快速崩潰,導通到一個很暢通的程度。我們都知道電流會挑好走、輕鬆的路徑走,因此一旦 TVS 二極體崩潰、導通後,靜電電荷所造成的電流就會沿著 TVS 二極體流向地面,而不會進到後面的電路。

我們來看一個實際的例子吧!DF2S6P2CTC 是 Toshiba 的一顆 TVS 二極體,在它的 datasheet 中有這麼一段規格:

(圖片來源:Bird 提供)

這幾個規格是選用 TVS 二極體時最重要的參數。VRWM 叫做 working peak reverse voltage,就是這個 TVS diode 在正常工作時最大可以容許的逆向偏壓(所謂「正常工作」就是沒有發生靜電放電,電路在一般情況下運作時)。VBR則是所謂的崩潰電壓,也就是這個 TVS diode 在被施加逆向偏壓時,開始崩潰的電壓。

這兩個電壓很重要,因爲他們決定了這顆 TVS 二極體可以用來保護什麼樣的訊號線。以這顆 DF2S6P2CTC 來說,它的 VRWM 是 5.5 V,因此它可以用在 5 V 以及更低電壓的訊號線上,只要訊號線上的電壓不要超過 VRWM,就沒有問題,但如果訊號線上的電壓會超過 VRWM,比方說用在 12 V 的訊號線上就不行,因爲當訊號的電壓高於 VRWM 達到 VBR 時,它就會開始崩潰導通,就像一個 6.7 V 的稽納二極體把線上的電壓限制在 6.7 V,會讓 12 V 的訊號線無法正常工作。

因此切記,TVS 二極體的逆向崩潰電壓一定要大於被保護的線路上的正常工作電壓,如此一來它才能夠區分正常與不正常,並在不正常情況發生時保護後面的電路。

至於後面的 clamp voltage VC,則是說明當 TVS 二極體上的逆向偏壓到達什麼程度時,可以有多大的電流流過 TVS 二極體。一般來說我們在做設計時不會直接去看這幾個數字或曲線,而是去參考 IEC 或其它電子工業標準機構所訂定的靜電放電測試標準,比如說 IEC61000-4-2 之類的。

由於這些標準化機構對於靜電放電測試有一致化的標準和測試模型,零件都會按照這些標準化的測試模型去設計,我們只要確定零件符合我們所要測試的模型即可。

下圖是 IEC61000-4-2 靜電放電測試時所用的電流對時間波形圖:

(圖片來源:Bird 提供)

在實際做測試時,我們會用靜電產生儀器產生這樣的波形,並將它注入電路。可以看到這個模型在非常短的時間之內(1 ns)就達到最大電流,因此這就考驗著 TVS 二極體能否在同樣短的時間內崩潰並達到夠低的導通阻抗,來吸收這些能量。

電容與頻率

除了崩潰電壓外,選擇 TVS 二極體另一個很重要的參數就是它的寄生電容,在上面的表格中它稱為 total capacitance Ct。二極體的寄生電容主要來自接面電容,也就是二極體的 P-N 接面上因電荷分離而造成的一個電容器,你可以將它想像成一個與二極體並聯在一起的電容器。

如果我們要保護的訊號線是一個高速的訊號線,那 TVS 二極體上的寄生電容就不能太大。當 TVS 二極體接在訊號線和地之間時,就等於接了一個跟寄生電容一樣大的電容器在訊號線和地之間,這個電容器會變成一個濾波電容,把訊號給吃掉。

以 DF2S6P2CTC 這顆 TVS 二極體來說,它的寄生電容是 600 pF,這個大小的電容器在 1 MHz 時的容抗只有 265 Ω,到 500 MHz 時更只剩下 0.5 Ω,因此它只能用在像 UART 這種低速的訊號線上,無法用在像 USB 2.0 這種高速的界面上。你想想看,如果在 USB 的 D+ 到 GND 間加一個 600 pF 的電容,它會剩下什麼訊號?

由於現在的訊號線速度都越來越高,這些界面承受不了太大的接面電容對訊號的破壞,因此各 TVS 二極體的供應商都會針對這些高速的接面推出特定低電容量的 TVS 二極體,以免保護電路的同時把訊號給搞砸了。

小結

這次我們簡單地聊了 ESD 靜電放電模型以及 TVS 二極體如何保護電路。事實上在真正的產品開發的流程中,靜電防護的設計、測試與驗證是非常複雜與專業的工作,真的要好好聊可以寫好幾本書。這篇文章的目的是希望能讓讀者們對靜電放電的現象和靜電防護的原理有一點點基礎的認識,並在日後需要更進階的知識時,能知道往哪個方向去尋找。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

Share This Post On

Submit a Comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *